《从 register_chrdev 到 cdev：Linux 新字符设备驱动详解》

在之前旧式字符设备注册方式中，我们通常使用 register_chrdev() 来注册一个字符设备。
这种方式虽然简单，但存在两个明显的问题：

1. 主设备号需要手动分配。
   我们必须事先确认系统中哪些主设备号是空闲的，否则容易与其他驱动冲突。
2. 一个主设备号会占用整个次设备号区间。
   比如，我们给 LED 设备分配主设备号 200，那么从 200, 0 ~ 1048575 (2^20 - 1) 这个范围的所有次设备号都默认归属于这个 LED 驱动。
   对于只需要一个设备节点的 LED 驱动来说，这显然太浪费了。

正因为存在这些问题，Linux 内核后来引入了新的字符设备注册机制，

通过alloc_chrdev_region() 动态申请设备号，避免冲突和资源浪费。

由于和就字符设备注册逻辑相似，我这里直接引用原子的代码，对不一样的地方加以讲解：

代码展示：

#include <linux/types.h>
#include <linux/kernel.h>
#include <linux/delay.h>
#include <linux/ide.h>
#include <linux/init.h>
#include <linux/module.h>
#include <linux/errno.h>
#include <linux/gpio.h>
#include <linux/cdev.h>
#include <linux/device.h>

#include <asm/mach/map.h>
#include <asm/uaccess.h>
#include <asm/io.h>


#define NEWCHRLED_CNT			1		  	/* 设备号个数 */
#define NEWCHRLED_NAME			"newchrled"	/* 名字 */
#define LEDOFF 					0			/* 关灯 */
#define LEDON 					1			/* 开灯 */
 
/* 寄存器物理地址 */
#define CCM_CCGR1_BASE				(0X020C406C)	
#define SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE		(0X020E0068)
#define SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE		(0X020E02F4)
#define GPIO1_DR_BASE				(0X0209C000)
#define GPIO1_GDIR_BASE				(0X0209C004)

/* 映射后的寄存器虚拟地址指针 */
static void __iomem *IMX6U_CCM_CCGR1;
static void __iomem *SW_MUX_GPIO1_IO03;
static void __iomem *SW_PAD_GPIO1_IO03;
static void __iomem *GPIO1_DR;
static void __iomem *GPIO1_GDIR;

/* newchrled设备结构体 */
struct newchrled_dev{
	dev_t devid;			/* 设备号（主+次打包在一起） */
	struct cdev cdev;		/* cdev 	*/
	struct class *class;		/* 类 		*/
	struct device *device;	/* 设备 	 */
	int major;				/* 主设备号	  */
	int minor;				/* 次设备号   */
};

struct newchrled_dev newchrled;	/* led设备 */

/*
 * @description		: LED打开/关闭
 * @param - sta 	: LEDON(0) 打开LED，LEDOFF(1) 关闭LED
 * @return 			: 无
 */
void led_switch(u8 sta)
{
	u32 val = 0;
	if(sta == LEDON) {
		val = readl(GPIO1_DR);
		val &= ~(1 << 3);	
		writel(val, GPIO1_DR);
	}else if(sta == LEDOFF) {
		val = readl(GPIO1_DR);
		val|= (1 << 3);	
		writel(val, GPIO1_DR);
	}	
}

/*
 * @description		: 打开设备
 * @param - inode 	: 传递给驱动的inode
 * @param - filp 	: 设备文件，file结构体有个叫做private_data的成员变量
 * 					  一般在open的时候将private_data指向设备结构体。
 * @return 			: 0 成功;其他 失败
 */
static int led_open(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	filp->private_data = &newchrled; /* 设置私有数据 */
	return 0;
}

/*
 * @description		: 从设备读取数据 
 * @param - filp 	: 要打开的设备文件(文件描述符)
 * @param - buf 	: 返回给用户空间的数据缓冲区
 * @param - cnt 	: 要读取的数据长度
 * @param - offt 	: 相对于文件首地址的偏移
 * @return 			: 读取的字节数，如果为负值，表示读取失败
 */
static ssize_t led_read(struct file *filp, char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
	return 0;
}

/*
 * @description		: 向设备写数据 
 * @param - filp 	: 设备文件，表示打开的文件描述符
 * @param - buf 	: 要写给设备写入的数据
 * @param - cnt 	: 要写入的数据长度
 * @param - offt 	: 相对于文件首地址的偏移
 * @return 			: 写入的字节数，如果为负值，表示写入失败
 */
static ssize_t led_write(struct file *filp, const char __user *buf, size_t cnt, loff_t *offt)
{
	int retvalue;
	unsigned char databuf[1];
	unsigned char ledstat;

	retvalue = copy_from_user(databuf, buf, cnt);
	if(retvalue < 0) {
		printk("kernel write failed!\r\n");
		return -EFAULT;
	}

	ledstat = databuf[0];		/* 获取状态值 */

	if(ledstat == LEDON) {	
		led_switch(LEDON);		/* 打开LED灯 */
	} else if(ledstat == LEDOFF) {
		led_switch(LEDOFF);	/* 关闭LED灯 */
	}
	return 0;
}

/*
 * @description		: 关闭/释放设备
 * @param - filp 	: 要关闭的设备文件(文件描述符)
 * @return 			: 0 成功;其他 失败
 */
static int led_release(struct inode *inode, struct file *filp)
{
	return 0;
}

/* 设备操作函数 */
static struct file_operations newchrled_fops = {
	.owner = THIS_MODULE,
	.open = led_open,
	.read = led_read,
	.write = led_write,
	.release = 	led_release,
};

/*
 * @description	: 驱动出口函数
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
static int __init led_init(void)
{
	u32 val = 0;

	/* 初始化LED */
	/* 1、寄存器地址映射 */
  	IMX6U_CCM_CCGR1 = ioremap(CCM_CCGR1_BASE, 4);
	SW_MUX_GPIO1_IO03 = ioremap(SW_MUX_GPIO1_IO03_BASE, 4);
  	SW_PAD_GPIO1_IO03 = ioremap(SW_PAD_GPIO1_IO03_BASE, 4);
	GPIO1_DR = ioremap(GPIO1_DR_BASE, 4);
	GPIO1_GDIR = ioremap(GPIO1_GDIR_BASE, 4);

	/* 2、使能GPIO1时钟 */
	val = readl(IMX6U_CCM_CCGR1);
	val &= ~(3 << 26);	/* 清楚以前的设置 */
	val |= (3 << 26);	/* 设置新值 */
	writel(val, IMX6U_CCM_CCGR1);

	/* 3、设置GPIO1_IO03的复用功能，将其复用为
	 *    GPIO1_IO03，最后设置IO属性。
	 */
	writel(5, SW_MUX_GPIO1_IO03);
	
	/*寄存器SW_PAD_GPIO1_IO03设置IO属性
	 *bit 16:0 HYS关闭
	 *bit [15:14]: 00 默认下拉
     *bit [13]: 0 kepper功能
     *bit [12]: 1 pull/keeper使能
     *bit [11]: 0 关闭开路输出
     *bit [7:6]: 10 速度100Mhz
     *bit [5:3]: 110 R0/6驱动能力
     *bit [0]: 0 低转换率
	 */
	writel(0x10B0, SW_PAD_GPIO1_IO03);

	/* 4、设置GPIO1_IO03为输出功能 */
	val = readl(GPIO1_GDIR);
	val &= ~(1 << 3);	/* 清除以前的设置 */
	val |= (1 << 3);	/* 设置为输出 */
	writel(val, GPIO1_GDIR);

	/* 5、默认关闭LED */
	val = readl(GPIO1_DR);
	val |= (1 << 3);	
	writel(val, GPIO1_DR);

	/* 注册字符设备驱动 */
	/* 1、创建设备号 */
	if (newchrled.major) {		/*  定义了设备号 */
		newchrled.devid = MKDEV(newchrled.major, 0);
		register_chrdev_region(newchrled.devid, NEWCHRLED_CNT, NEWCHRLED_NAME);
	} else {						/* 没有定义设备号 */
		alloc_chrdev_region(&newchrled.devid, 0, NEWCHRLED_CNT, NEWCHRLED_NAME);	/* 申请设备号 */
		newchrled.major = MAJOR(newchrled.devid);	/* 获取分配号的主设备号 */
		newchrled.minor = MINOR(newchrled.devid);	/* 获取分配号的次设备号 */
	}
	printk("newcheled major=%d,minor=%d\r\n",newchrled.major, newchrled.minor);	
	
	/* 2、初始化cdev */
	newchrled.cdev.owner = THIS_MODULE;
	cdev_init(&newchrled.cdev, &newchrled_fops);
	
	/* 3、添加一个cdev */
	cdev_add(&newchrled.cdev, newchrled.devid, NEWCHRLED_CNT);

	/* 4、创建类 */
	newchrled.class = class_create(THIS_MODULE, NEWCHRLED_NAME);
	if (IS_ERR(newchrled.class)) {
		return PTR_ERR(newchrled.class);
	}

	/* 5、创建设备 */
	newchrled.device = device_create(newchrled.class, NULL, newchrled.devid, NULL, NEWCHRLED_NAME);
	if (IS_ERR(newchrled.device)) {
		return PTR_ERR(newchrled.device);
	}
	
	return 0;
}

/*
 * @description	: 驱动出口函数
 * @param 		: 无
 * @return 		: 无
 */
static void __exit led_exit(void)
{
	/* 取消映射 */
	iounmap(IMX6U_CCM_CCGR1);
	iounmap(SW_MUX_GPIO1_IO03);
	iounmap(SW_PAD_GPIO1_IO03);
	iounmap(GPIO1_DR);
	iounmap(GPIO1_GDIR);

	/* 注销字符设备驱动 */
	cdev_del(&newchrled.cdev);/*  删除cdev */
	unregister_chrdev_region(newchrled.devid, NEWCHRLED_CNT); /* 注销设备号 */

	device_destroy(newchrled.class, newchrled.devid);
	class_destroy(newchrled.class);
}

module_init(led_init);
module_exit(led_exit);
MODULE_LICENSE("GPL");
MODULE_AUTHOR("zuozhongkai");

你现在看到的这个 newchrled.c 是 “新字符设备驱动框架” 的标准写法，它和上一篇博客之前写的“旧字符设备驱动”（用 register_chrdev() 的那种）核心逻辑完全相同，只是驱动注册和管理的方式升级了。

我们来对比讲解——哪些地方变了、为什么变、有什么好处

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一、总体思路没变

先说清楚大局观：
无论是旧的还是新的字符设备驱动，都包含以下核心环节：

步骤	作用
① 申请设备号	告诉内核“我要用哪个主设备号”
② 初始化 file_operations	定义 open/read/write/release 等操作
③ 注册到内核	让内核能找到我们的驱动
④ 映射寄存器、配置 GPIO	控制硬件（LED）
⑤ 清理资源	卸载驱动时释放资源

而区别在于：
旧写法用 register_chrdev() 一步注册；
新写法更规范地用了 alloc_chrdev_region + cdev_init + cdev_add + class_create + device_create 五步。

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二、核心变化详解

1. 设备号注册方式不同

旧方式：

register_chrdev(major, "myled", &myled_fops);

缺点：不能轻松支持多个次设备，管理不方便。

新方式：

if (newchrled.major) {
    newchrled.devid = MKDEV(newchrled.major, 0);
    register_chrdev_region(newchrled.devid, NEWCHRLED_CNT, NEWCHRLED_NAME);//把主次设备号合并
} else {
    alloc_chrdev_region(&newchrled.devid, 0, NEWCHRLED_CNT, NEWCHRLED_NAME);
    newchrled.major = MAJOR(newchrled.devid);
    newchrled.minor = MINOR(newchrled.devid);
}

优点：可以灵活分配主次设备号，也能支持多个设备实例（比如多个LED）。

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2. 新增了 struct cdev 对象

旧驱动靠一个函数就注册完，现在更“面向对象”：

cdev_init(&newchrled.cdev, &newchrled_fops);
cdev_add(&newchrled.cdev, newchrled.devid, NEWCHRLED_CNT);

这就把 file_operations 和设备号绑定成一个内核对象 cdev。
这样内核知道：哪个 /dev 节点 → 对应哪个 file_operations。

优点：驱动层次清晰，可以一个模块管理多个设备。

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3. 新增了 /dev 节点自动创建机制

旧驱动里我们得手动 mknod /dev/myled c 200 0。
新驱动使用：

newchrled.class = class_create(THIS_MODULE, NEWCHRLED_NAME);
newchrled.device = device_create(newchrled.class, NULL, newchrled.devid, NULL, NEWCHRLED_NAME);

这两步会自动在 /sys/class/ 和 /dev/ 下生成节点：

/dev/newchrled

优点：再也不用手动 mknod，内核 udev 会自动创建。

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4. 多了结构体 newchrled_dev

旧驱动通常全局变量乱飞，比如：

int major;
struct file_operations fops;

现在全部封装到结构体里：

struct newchrled_dev {
	dev_t devid;
	struct cdev cdev;
	struct class *class;
	struct device *device;
	int major;
	int minor;
};

优点：清晰可扩展，后面要写多个 LED、多个按键驱动，只需一个数组管理多个 newchrled_dev。

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5. 文件操作函数没变（逻辑相同）

.open = led_open,
.read = led_read,
.write = led_write,
.release = led_release,

内部逻辑基本一致：

• open() 里保存私有数据；
• write() 里接收用户态数据，控制寄存器；
• read() 通常返回设备状态；
• release() 清理资源。

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6. 驱动入口 / 出口更标准

新方式：

static int __init led_init(void)
static void __exit led_exit(void)
module_init(led_init);
module_exit(led_exit);

没变，但是内部逻辑更完整：

• ioremap() + iounmap() 映射/释放物理寄存器；
• cdev_add() + cdev_del()；
• class_create() + class_destroy()；
• device_create() + device_destroy()。

优点：资源释放干净，规范。

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三、可以这样理解

旧字符设备驱动	新字符设备驱动
register_chrdev() 一步注册	alloc_chrdev_region() + cdev_add() 多步注册
手动 mknod 创建设备节点	自动生成 /dev/xxx
全局变量管理	封装成结构体
简单，适合教学	规范，适合项目开发
内核 2.x ~ 早期 3.x 常用	3.x 以后主流

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四、总结

之前写的旧驱动是入门的必修课，
这个新驱动是进阶到“真正 Linux 驱动”的那一步。

两者关系就像：

学手动挡（理解发动机） → 开自动挡（方便实用）。

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参考文档：《正点原子驱动开发指南》